CN115104008A - 电子振动多传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)和方法。所述设备包括传感器单元(2)，该传感器单元具有机械振动单元(4)、至少一个反射单元(10a、10b)和附接到膜(8)的压电元件(5)以及电子单元(6)。设备(1)被设计用以借助于激励信号激励机械振动单元(4)以进行机械振动，接收振动单元(4)的机械振动并将其转换为第一接收信号，发射发射信号，并且接收第二接收信号，并且电子单元(6)被设计用以基于第一和/或第二接收信号确定介质(M)的至少一个过程变量。

Description

电子振动多传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量和/或监测介质的至少一个过程变量的设备，该设备包括传感器单元，该传感器单元具有机械振动单元并且具有电子单元。本发明还涉及一种用于测量和/或监测介质的至少一个过程变量的方法。介质位于容器中，例如位于储藏器中或位于管道中。
背景技术
电子振动传感器通常用于过程和/或自动化工程。在料位测量设备的情况下，它们具有至少一个机械振动单元，诸如例如振动叉、单杆或膜。在操作中，借助于驱动/接收单元激励该机械振动单元做机械振动，该驱动/接收单元通常为机电换能器单元的形式，其又可以是例如压电驱动器或电磁驱动器。申请人制造了多种相应的现场设备，并且这多种现场设备例如以名称LIQUIPHANT或SOLIPHANT分销。原则上从许多出版物中已知基本的测量原理。驱动/接收单元借助于电激励信号激励机械振动单元做机械振动。相反，驱动/接收单元可以接收机械振动单元的机械振动并将其转换成电接收信号。因此，驱动/接收单元或者是单独的驱动单元和单独的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。
在许多情况下，驱动/接收单元由此是反馈电谐振电路的一部分，借助于该反馈电谐振电路发生激励机械振动单元做机械振动。例如，对于谐振振动，必须满足谐振电路条件，即放大系数≥1，并且谐振电路中出现的所有相位都导致360°的倍数。为了激励和满足谐振电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的定义相移。因此，频繁地设置相移的可预先确定的值，即激励信号和接收信号之间的相移的目标值。为此目的，从例如在文献DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1或DE00102010030982A1中所描述的现有技术已知各种解决方案，包括模拟方法和数字方法两者。
激励信号和接收信号都由它们的频率ω、幅度A和/或相位Φ来表征。因此，这些变量的变化通常用于测量相应的过程变量。例如，过程变量可以是料位、指定的料位或介质的密度或粘度，以及流量。例如，给定用于液体的电子振动料位开关，区分振动单元是被液体覆盖还是自由振动。这两种状态——自由状态和覆盖状态——是有区别的，例如，使用不同的谐振频率，即使用频移。
如果振动单元完全被介质覆盖，则又只能用这种测量设备来确定密度和/或粘度。关于密度和/或粘度的测量，从诸如在文献DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1或DE102016112743A1中公开的那些的现有技术中同样已知不同的可能性。
使用电子振动传感器，可以相应地测量多个过程变量并且将其用于表征各个过程。然而，在许多情况下，对于全面的过程监测和/或控制，需要关于过程的进一步信息，尤其是进一步物理和/或化学过程变量和/或过程参数的知识。例如，这可以通过将其它现场设备集成到相应的过程中来实现。由各种测量设备提供的测量值然后可以以合适的方式在对于设备上级的单元中被进一步处理。
因此，从先前未公开的文件号为PCT/EP2019/064724的国际专利申请中已知一种电子振动多传感器，该电子振动多传感器在单个设备中结合了两种测量原理——电子振动测量原理和超声测量原理。传感器单元一方面进行机械振动；此外，发射发射信号。响应于机械振动以及响应于发射信号，接收两个接收信号并且针对至少两个不同的过程变量进行评估。可以有利地彼此独立地评估两个接收信号。
发明内容
从引用的现有技术开始，本发明的目的是简化这种多传感器的设计。
该目的通过根据权利要求1的设备和根据权利要求10的方法实现。
关于该设备，该目的通过一种用于测量和/或监测介质的至少一个过程变量的设备来实现，该设备包括传感器单元，该传感器单元具有机械振动单元、至少一个反射单元、附接到膜的压电元件以及电子单元。该设备被设计用以借助于激励信号激励机械振动单元以进行机械振动，接收振动单元的机械振动并将其转换为第一接收信号，发射发射信号，并且接收第二接收信号；并且电子单元被设计用以使用第一和/或第二接收信号测量介质的至少一个过程变量。
至少一个压电元件一方面用作驱动/接收单元，以便借助于激励信号产生机械振动单元的机械振动。在振动单元被介质覆盖的情况下，这些机械振动受到介质特性的影响，从而可以使用表示振动单元的振动的第一接收信号来生成关于过程变量的结论。
然而，另一方面，压电元件还用于产生以第二接收信号的形式被接收的发射信号。发射信号尤其是声音信号。如果发射信号在其途中至少暂时地和分段地通过介质，则发射信号同样受到介质的物理性质和/或化学性质的影响并且可以相应地用于测量介质的过程变量。
因此，在本发明的范围内，在单个设备中实现至少两个测量原理是可能的。一方面，传感器单元响应于激励信号执行机械振动；此外，发射发射信号。然后可以使用两个可单独评估的接收信号来测量一个或多个，优选地两个不同的过程变量。测量过程变量的可能性对应于先前未公开的文件号为PCT/EP2019/064724的国际专利申请中描述的可能性，在本申请的范围内对该专利申请进行了全面引用。
根据本发明的多传感器可以有利地用单个压电元件来实现。这减少了必需的供电线的数量。结果是一种具有成本效益的传感器，其可以满足更高的安全要求，确保高度的可靠性，并涵盖广泛的应用范围。
在该设备的一个实施例中，反射单元被设计成将发射信号反射回到压电元件。发射信号因此从压电元件到达反射单元并在反射单元处被反射。有利的是，反射单元被设计和/或布置成使其位于压电元件的对面。反射单元也可以布置在振动单元的区域中但与其分开。反射单元优选地适用于振动单元的选定实施例。
另一实施例包括该设备包括用于测量和/或监测介质温度的单元，其中用于测量和/或监测温度的单元尤其包括呈电阻元件或热电偶形式的温度传感器。在这种情况下，参考之前未公开的德国专利申请102019116150.9，其中指出了这种具有温度测量单元的多传感器的许多可能的实施例，并且在本申请的范围内同样完整地引用该德国专利申请。
该单元优选地布置在设备的壳体中，该壳体终止于具有膜的端部区域。通过这种方式，可以实现与过程的良好热耦合。
作为用于温度测量的单独单元的替代方案，同样可以借助于压电元件执行对介质温度的监测，这是因为压电元件的电容原则上与温度相关。在这种情况下，不需要用于测量温度的单独的设备。
机械振动单元例如是膜、单杆或其上一体地形成有至少两个振动元件(尤其是音叉)的膜布置。取决于传感器单元的实施例，以超声信号形式的发射信号(如激励信号)的发射，也可以导致传感器单元区域中的机械振动，尤其是导致膜的机械振动。然而，这些由发射信号引起的第一振动与区别于由激励信号引起的振动的第二振动有关，第一振动和第二振动尤其是两种不同的振动模式，和/或它们涉及传感器单元的不同组件；例如，发射信号与膜有关，而激励信号与振动元件有关。因此，本发明的优点是，假定必要组件同时减少，则仍然可以确保，不管振动单元的实施例如何，发射信号都不影响对响应于激励信号检测到的第一接收信号的评估。相反，激励信号对激励信号也没有影响。
在该设备的一个实施例中，机械振动单元具有膜和一体形成在该膜上的两个振动杆，其中反射单元至少分段定向为垂直于振动杆，并且其中压电元件在膜的背离振动杆的区域中附接到膜。
如果存在至少两个反射单元，则是有利的，所述至少两个反射单元分别在背离膜的端部区域中一体地形成在振动杆上。在这种情况下，发射信号从附接到膜的压电元件开始发射，并沿着平行于振动杆的路径到达反射单元，然后从反射单元返回到压电元件。这种布置导致发射信号的路径相对长。由于这条相对长的路径，这样的设计可以实现高的测量精度。
进一步有利的是，反射单元被设计为长方体，其中每个反射单元的相应表面被定向为平行于面向过程的膜的表面。在这种情况下，发射信号在平行于膜表面定向的反射单元的表面上被反射。
同样有利的是，反射单元从振动杆开始面向彼此定向。反射单元优选地从相应的振动杆开始，相对于面向过程的膜的表面的中心点径向向内延伸。
至少在面向膜的表面的区域中，优选将相应的反射涂层施加到反射单元。反射涂层尤其包括具有高声阻抗的材料，优选具有大于介质的声阻抗的材料。例如，振动单元可以由塑料制成，而涂层可以由金属制成，诸如不锈钢、青铜或铝等。如果在振动单元的区域中发生声阻抗的突然变化，则是有利的。
因此不必完全由反射材料形成反射单元。相反，用于制造反射单元的材料可以适应于振动杆。相反，反射涂层就足够了，其优选地施加到反射单元的表面的至少部分区域，该表面朝向面向过程的膜的表面。
最后，如果两个反射单元的两个表面的总和——所述两个表面面向膜——是面向过程的膜的表面的和/或压电元件的至少20％，则是有利的。压电元件优选地具有小于或等于面向过程的膜的表面的直径的横截面。这样，可以实现足够的反射和足够的信噪比。
同样，可以为设备提供用于测量和/或监测压力的单元，和/或用于测量和/或监测介质的电导率和/或电容的单元。通过在单个传感器中实施额外的测量原理，可以进一步拓宽或提高传感器的应用范围和测量精度、可用性和/或可靠性。
本发明所基于的目的进一步通过一种方法来实现，该方法根据至少一个所述实施例借助于根据本发明的设备测量和/或监测介质的至少一个过程变量，其中
-借助于激励信号激励传感器单元以进行机械振动，
-机械振动被传感器单元接收并被转换为第一接收信号，
-传感器单元发射发射信号并接收第二接收信号，以及
-使用第一和/或第二接收信号确定至少一个过程变量。
一方面，可以考虑将激励信号和发射信号同时供应给传感器单元，其中激励信号和发射信号彼此叠加。然而，替代地，也可以将激励信号和发射信号交替地供应给传感器单元。
激励信号例如是具有至少一个可预定频率的电信号，尤其是正弦波或矩形波信号。作为传感器单元的一部分的机械振动单元优选地至少暂时地被激励以谐振振动。机械振动受到振动单元周围的介质的影响，从而可以使用代表振动的接收信号得出关于介质的各种特性的结论。
发射信号优选地是超声信号，尤其是脉冲超声信号，尤其是至少一个超声脉冲。因此，在本发明的范围内，尤其是根据渡越时间原理的基于超声的测量作为第二种应用的测量方法被执行。在每种情况下发射的发射信号至少部分地通过介质并且在其性质方面受到介质的影响。因此，使用分别接收到的第二接收信号同样可以得出关于各种介质的结论。
使用根据本发明的方法，可以借助于不同的测量原理确定多个不同的过程变量。不同的过程变量可以有利地相互独立地测量，从而可以借助于单个测量设备对各个过程进行综合分析。由于相同的传感器单元用于多种测量方法，因此可以显著提高测量的精度和/或可靠性。此外，可以使用各种测量原理来执行设备的状态监测。对于根据本发明的方法，在这方面许多实施例是可能的，其中一些优选的变形在下面说明。
该方法的一个实施例包括测量介质的温度。在这方面，如果介质温度对至少第一和/或第二接收信号或从接收信号导出的至少一个过程变量的影响被补偿，则是有利的。
另一个实施例包括确定至少两个不同的过程变量，其中使用第一接收信号确定第一过程变量，并且其中使用第二接收信号确定第二过程变量。
另一特别优选的实施例包括至少一个过程变量是可预定的料位、密度、粘度、声速或从这些变量中的至少一个导出的变量。特别优选地，因此使用第一接收信号测量介质的密度，并且因此使用第二接收信号测量介质内的声速。然而，隐含地理解，除了在此明确提及的过程变量之外，可以借助于两个执行的测量来访问的其它过程变量和/或过程参数同样可以被测量并且用于表征相应的过程。
在又一个特别优选的实施例中，使用第一和第二接收信号和/或使用第一和第二过程变量来确定包含在介质中的第一物质的第一浓度以及包含在介质中的第二物质的第二浓度。根据现有技术，对于关于两种不同物质的这种介质分析，通常需要提供不同被测变量的两个单独的测量设备。相比之下，根据本发明，关于介质中的两个不同组件的陈述可以借助于单个设备可靠地进行。
最后，该方法的有利实施例包括，使用第一和第二接收信号和/或使用第一和第二过程变量，确定在传感器单元上是否已经形成沉积物和/或是否存在传感器单元的漂移和/或老化。取决于探头单元上的沉积物、传感器单元区域中的漂移或老化，这两个接收信号通常分别不同。因此可以例如使用对两个接收信号和/或过程变量的时间考虑来确定沉积物、漂移或老化的存在。除了改进的测量精度之外，因此可以提供预测性维护的可能性。
应当指出，结合根据本发明的设备描述的实施例也可以经过必要修改后应用于根据本发明的方法，反之亦然。
附图说明
参考以下附图更详细地解释本发明。示出如下：
图1：根据现有技术的电子振动传感器的示意图，以及
图2：根据本发明的设备的示例性实施例。
在图中，相同的元件分别具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了具有传感器单元2的电子振动传感器1。传感器具有呈音叉形式的机械振动单元4，该机械振动单元部分浸入位于储藏器3中的介质M中。激励/接收单元5激励振动单元4做机械振动，并且可以例如借助于压电堆叠驱动器或双晶驱动器来激励振动单元4。其它电子振动传感器例如具有电磁驱动/接收单元5。可以使用单个驱动/接收单元5，其用于激励机械振动并且用于检测机械振动。然而，也可以考虑分别实施一个驱动单元和一个接收单元。图1还示出了电子单元6，借助于该电子单元进行信号采集、评估和/或馈送。
图2示出了根据本发明的传感器单元2的示例性实施例，其形式为振动叉。然而，本发明决不限于振动单元4的这种实施例。图2a中所示的机械振动单元4包括两个振动杆9a、9b，这两个振动杆安装在膜8上并且因此也被称为叉尖头。膜8是传感器1的壳体7的一部分，例如电子单元6(此处未示出)可以布置在该壳体7中。在本实例中，壳体7在面向介质M的区域中以膜8终止。驱动/接收单元5被设计为压电元件的形式，该压电元件在背向介质M的区域中附接到膜8。压电元件5因此位于壳体7内。相应的反射单元10、10b一体地形成在振动杆9a、9b的背离膜8的端部区域中，所述反射单元分别布置成垂直于相应的振动杆9a、9b。对于所示实施例，两个反射单元10、10b都被设计为长方体，并且从振动杆9a、9b开始，相对于膜8的表面O1的中心点P径向向内延伸，所述表面O1面向介质M。
反射单元10a、10b布置成使得两个反射单元10a、10b中的每一个的表面O2都平行于膜8的表面O1延伸，所述表面O1面向介质M。
所示的传感器单元2还具有用于测量和/或监测介质M的温度T的单元11，该单元同样布置在壳体7内。这例如可以包括电阻器元件或热电偶形式的温度传感器。
对于图2a所示的实施例，两个反射单元10a、10b均由反射材料例如金属制成。这在金属振动单元4的情况下尤其有利。
图2b中示出了替代实施例。与图2a中所示的实施例相反，反射的、优选金属的涂层12a、12b在面向膜8的表面O2的区域中被施加到两个反射单元10a、10b中的每一个上。在这种情况下，反射单元10a、10b可以由任何其它材料制成，优选与用于振动杆9a、9b的材料相同的材料。
附图标记列表
1 电子振动传感器
2 传感器单元
3 储藏器
4 振动单元
5 驱动/接收单元
6 电子单元
7 壳体
8 膜
9a,9b 振动单元
10a,10b 反射单元
11 用于测量和/或监测温度的单元
12a,12b 反射涂层
M 介质
P 过程变量
T 温度
O1 面向过程的膜的表面
O2 反射单元的布置成与O1平行的表面
P 膜的表面O1的中心点

Claims (15)

1.一种用于测量和/或监测介质(M)的至少一个过程变量的设备(1)，包括：
传感器单元(2)，所述传感器单元具有
机械振动单元(4)，
至少一个反射单元(10a、10b)，以及
压电元件(5)，所述压电元件附接到膜(8)，
并且具有
电子单元(6)，
其中所述设备(1)被设计
用以借助于激励信号激励所述机械振动单元(4)以进行机械振动，接收所述振动单元(4)的机械振动并将所述机械振动转换为第一接收信号，
发射发射信号，以及
接收第二接收信号，并且
其中所述电子单元(6)被设计用以使用所述第一接收信号和/或所述第二接收信号确定所述介质(M)的至少一个过程变量。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述反射单元(10a、10b)被设计用以将所述发射信号反射回所述压电元件(5)。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，
包括用于测量和/或监测所述介质(M)的温度(T)的单元(11)，其中用于测量和/或监测温度(T)的所述单元(11)尤其包括呈电阻器元件或热电偶形式的温度传感器。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述机械振动单元(4)具有膜(8)和一体地形成在所述膜(8)上的两个振动杆(9a、9b)，其中所述反射单元(10a、10b)至少分段定向为垂直于所述振动杆(9a、9b)，并且
其中，所述压电元件(5)在所述膜(8)的背离所述振动杆(9a、9b)的区域中附接到所述膜(8)。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，
其中，存在至少两个反射单元(10a、10b)，所述至少两个反射单元在背向所述膜(8)的端部区域中分别一体地形成在所述振动杆(9a、9b)上。
6.根据权利要求4或5中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述反射单元(10a、10b)被设计为长方体，其中每一个所述反射单元(10a、10b)的相应表面(O2)定向为平行于所述膜(8)的表面(O1)，所述表面(O1)面向所述过程。
7.根据权利要求4-6中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述反射单元(10a、10b)从所述振动杆(9a、9b)开始以彼此面对的方式定向。
8.根据权利要求4-7中的至少一项所述的设备(1)，
其中，至少在面向所述膜(8)的表面(O2)的区域中，将相应的反射涂层(11a、11b)施加到所述反射单元(10a、10b)。
9.根据权利要求4-8中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述两个反射单元(10a、10b)的、面向所述膜(8)的两个表面(O2)之和为所述膜(8)的表面(O1)的和/或所述压电元件(5)的至少20％，所述表面(O1)面向所述过程。
10.一种借助于根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)测量和/或监测介质(M)的至少一个过程变量的方法，其中
-借助于激励信号激励传感器单元(2)以进行机械振动，
-所述机械振动被所述传感器单元(2)接收并被转换为第一接收信号，
-所述传感器单元(2)发射发射信号并接收第二接收信号，以及
-使用所述第一接收信号和/或所述第二接收信号确定所述至少一个过程变量。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，测量所述介质(M)的温度(T)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，确定至少两个不同的过程变量，其中，使用所述第一接收信号确定第一过程变量，并且其中，使用所述第二接收信号确定第二过程变量。
13.根据权利要求10-12中的至少一项所述的方法，
其中，所述至少一个过程变量是可指定的料位、密度、粘度、声速或从这些变量中的至少一个导出的变量。
14.根据权利要求10-13中的至少一项所述的方法，
其中，使用所述第一接收信号和所述第二接收信号和/或使用所述第一过程变量和所述第二过程变量来确定所述介质(M)中所包含的第一物质的第一浓度和所述介质(M)中所包含的第二物质的第二浓度。
15.根据权利要求10-14中的至少一项所述的方法，
其中，使用所述第一接收信号和所述第二接收信号和/或使用所述第一过程变量和所述第二过程变量来确定在所述传感器单元(2)上是否已经形成沉积物和/或是否存在所述传感器单元(2)的漂移和/或老化。
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